农田氮、磷的流失与水体富营养化①司友斌王慎强陈怀满②(中国科学院南京土壤研究所南京210008摘要农田氮、磷的流失,不仅造成化肥的利用率降低,农业生产成本上升,还对水环境造成污染,引起水体富营养化。

本文讨论了农田氮磷流失对水体富营养化的贡献、农田氮磷流失途径及影响因素,提出了减少农田氮磷流失、控制水体富营养化的措施。

关键词农田氮素;农田磷素;淋溶作用;水体富营养化肥料提供了植物生长必需的营养元素,对保持作物高产稳产起了重要的作用,但是由施肥不当或过量施肥带来的环境污染问题也越来越突出,其中农田氮磷流失引起的水体富营养化问题目前已受到人们的普遍关注。

1水体富营养化的表现及形成原因水体富营养化通常是指湖泊、水库和海湾等封闭性或半封闭性的水体,以及某些滞留(流速<1米/分钟河流水体内的氮、磷和碳等营养元素的富集,导致某些特征性藻类(主要是蓝藻、绿藻等的异常增殖,致使水体透明度下降,溶解氧降低,水生生物随之大批死亡,水味变得腥臭难闻。

引起水体富营养化起关键作用的元素是氮和磷。

研究表明,对于湖泊、水库等封闭性水域,当水体内无机态总氮含量大于0.2mg/L,PO3-4-P的浓度达到0.02mg/ L时,就有可能引起藻华(Algae Bloms现象的发生。

据对我国25个湖泊的调查,水体全氮无一例外超过了富营养化指标,全磷只有2个湖泊(大理洱海和新疆博斯腾湖低于0.02mg/L的临界指标,其余92%的湖泊皆超过了这个标准,比国际上一般标准高出10倍或10倍以上(表1。

表1我国25个湖泊中的全N全P浓度(mg/L及所占比例[1]全N全P<0.2>1.0>2.0>5.0<0.02>0.1>0.2>0.5 湖泊数%0218413525202816641248624另外,我国的22个湖泊调查表明,除1个属贫营养湖外,其余63.3%的湖泊是营养湖。

如滇池、巢湖、甘棠湖(九江、西湖、东湖、玄武湖、蘑菇湖(石河子、于桥水库(天津等早已是富营养湖泊[1]。

水体富营养物质氮、磷的来源主要有城镇生活污水、含氮含磷的工业废水和农田氮磷肥。

其中,农田氮、磷的流失是引起水体富营养化的重要原因[2,3]。

①②通讯联系人国家自然科学重大基金资助项目(39790100在美国,对非点源污染进行了鉴别和测量,发现农业是一个主要的非点状污染源,农田径流是全国64%受到污染河流和57%受到污染湖泊的主要污染源[4];瑞士雨水径流中氮、磷含量相当于工业废水和城市污水中这类污染物量的总和[5]。

我国五大淡水湖之一—巢湖,从60年代始至80年代,由于湖水的富营养化,导致湖内100多种水藻大量繁殖。

巢湖目前主要受到氮、磷营养盐与有机物的污染,总氮、总磷严重超标。

1997年巢湖西半湖水体总氮、总磷分别为4.14mg/L和0.310mg/L,分别超过Ⅲ类水标准3.14倍和5.2倍,劣于V类水标准[6]。

造成巢湖严重污染的原因,除了沿湖城市排放的大量工业废水和生活污水,与农业非点源污染量越来越大有很大关系。

巢湖沿湖四周均是农田,是安徽省的重要产粮区。

近年来,农民施用化肥量平均每公顷1200kg,比10年前增加8倍,因肥料结构和施肥方法不当造成化肥大量流失,成为巢湖水质总氮、总磷超标的重要原因[7]。

我国第三大淡水湖—太湖,目前97%面积的水体已呈中~富营养化状态。

富营养化使太湖近几年大面积爆发蓝藻,数次大规模地影响到自来水厂取水。

太湖水富营养化主要由沿湖的工农业排污引起。

据研究,进入太湖的污染物中,总氮排放量最多的是太湖流域的农业非点源污染,总磷排放量最多的是来自城镇居民。

苏南太湖流域是我国农业最发达的地区之一,农业集约化程度较高,是高投入、高产出区,全区面积仅占全国的0.4%,而化肥消费量占全国的1.3%[8]。

过量施肥、施肥结构不合理、农田排水直接进入河流等一系列因素,加剧了水体富营养。

由水体富营养化引起的水质恶化、水源紧缺、生态环境破坏,严重制约着国民经济的健康持续发展。

因此,减少农田氮磷流失,控制水环境污染成为世界各国学者所面临的最重要研究课题之一。

2农田氮、磷流失对水体富营养化的贡献2.1农田氮素的流失各种形态的氮肥施入土壤后,在微生物作用下,通过硝化作用形成NO-3-N,因土壤胶体对NO-3的吸附甚微,易于遭雨水或灌溉水淋洗而进入地下水或通过径流、侵蚀等汇入地表水,对水源造成污染;土壤颗粒和土壤胶体对N H+4具有很强的吸附作用,使得大部分的可交换态铵得以保存在土壤中,但是,当土壤对N H+4的吸附量达到最大值时,亦即土壤对N H+4的吸附达到饱和时,在入渗水流的作用下N H+4还是可能被淋失出土体。

在土壤—作物系统中,氮素的作物利用率仅为20~35%,大部分被土壤吸附,逐渐供作物吸收利用,有5~10%挥发到大气中。

随降水径流和渗漏排出农田的氮素中有20~25%是当季施用的氮素化肥[9]。

就地表水(湖泊等硝态氮的污染而论,氮素化肥占了50%以上[10]。

研究表明,瑞典西海岸的拉霍尔姆湾,由河流输运的氮60%来自农业,瑞典最南端的谢夫灵厄流域,来自农业的氮占此流域总输入氮量的84~87%[11]。

我国苏南太湖流域,农业面源氮素对地表水的污染负荷量高达2.55×104t/a,占氮素化肥施用量的16.8%[12]。

2.2农田磷素的流失磷肥施到土壤后易被固定,应用32P示踪研究石灰性土壤磷素的形态及有效性表明,水溶性磷肥施入土壤后,有效性随时间的延长而降低,在两个月内有2/3变成不可提取态磷(Olsen法,其主要形态是Ca8-P、Al-P、Fe-P型磷酸盐[13]。

磷在土壤中扩散移动极弱, H2PO4-离子在土壤中的扩散系数为0.0005~0.001cm2S-1×10-5,相当于NO-3离子扩散系数的千万分之一或万分之一。

磷在土壤中迁移一般主要集中在表土层,较难穿透较厚的土层[14,15]。

据英国洛桑试验站进行的100多年的研究结果表明:磷的移动每年不超过0.1 ~0.5mm,它只能从施肥点向外移动1~3cm的距离[16]。

作物对磷肥的利用率很低,通常情况下当季作物只有5~15%,加上后效一般也不超过25%,所以约占施肥总量75~90%的磷滞留在土壤中[17]。

长期而过量地施用磷肥,常导致农田耕层土壤处于富磷状态,从而可通过径流等途径加速磷向水体迁移的速度[18]。

据估计全世界每年大约有300~400万吨P2O5从土壤迁移到水体中[19],美国每年由化肥和土壤进入水生态系统的磷达0.45亿公斤左右[20],日本水田磷的排出负荷量为0.3~ 8.4kg/(hm2a[21],我国广东东江流域农田的磷素流失量为1.16kg/(hm2a[22],四川涪陵地区农田磷流失量为1.17kg/(hm2a[23],陕西黄土高原侵蚀最严重的地区府谷县、米脂县农田中磷流失量分别为9.9kg/(hm2a和8.7kg/(hm2a[24]。

张水铭等采用封闭体系和磷素平衡法对农田排水磷负荷量进行的实验表明,在雨水较丰富的1987年苏南太湖地区排出磷负荷总量440t/a,平均耕地排出537g/(hm2a,在旱地排水中固体物质的含磷量占总磷量的78.7%[25]。

2.3农田氮、磷流失的途径氮、磷肥料等通常通过农田排水和地表径流的方式进入地表水体造成污染。

美国对连续5年的小麦田排水中氮的流失观察表明:每公顷施用48.8kg、96kg 和144kg氮,在生长旺季排水中的氮量分别是不施肥的4.8、9.6、12.7倍;甚至在冬季休闲时,也是不施肥的1.07~1.62倍[26]。

在我国北方地区引水漫灌仍很普遍,从而使得灌田区回水携带着农田中氮、磷进入地表水体。

例如吴岳在宁夏青铜峡县的调查中发现,以漫灌方式在春季灌头水以后和初冬灌冬水时,硝态氮大量随田间渗滤水排出,经计算排出的氮量占施肥量的1/3以上,磷占58.7%[27]。

天然降水和不适当的灌溉形成的地表径流,将农田氮素、农田磷素转移带入到地表水体中,造成土壤氮、磷的大量损失。

地表径流引起的氮、磷损失分为两种,一是土壤全氮(沉积氮、全磷(沉积磷的损失,二是土壤可溶性氮(溶解氮、可溶性磷(溶解磷的损失。

研究表明,美国因地表径流损失的农田氮素每年为450万吨,前苏联因地表径流造成土壤全氮损失每年达300万吨,溶解氮损失每年达46万吨[5]。

我国全年流失土壤达50亿吨,带走的氮、磷、钾等养分约相当于全国一年的化肥施用总量[28]。

据张夫道研究[29],1979年京津地区排污流入渤海的铵态氮为8720t,五氧化二磷638t,因化肥流失进入渤海的氮为8000t,与污水氮接近。

1988~1989年西湖流域非点源调查结果发现,对入湖口河流水质影响的非点源中,氮、磷的单位面积负荷均以水田最高,旱田次之。

水田面积仅占整个流域面积的3.9%,但产生氮负荷量却占16%(5.94t/km2a,磷负荷量占17.5%(0.45t/km2a[30]。

在湖泊富营养化中,肥料(包括有机肥通过地表径流进入湖水中的氮占入湖总氮量的10%左右;由肥料流失的磷占入湖总磷量的4~10%,其中有机肥占3~7%,化肥占1~3%[31]。

3影响农田氮、磷流失的因素农田氮、磷的损失程度取决于当地的降雨情况(降雨强度、降雨时间和降雨分布、施肥状况(种类、时间、数量、地形地貌特点、植被覆盖条件、土壤条件和人为管理措施等多种因素。

农田氮、磷流失量与径流量、以及降雨对地表的侵蚀能力成正相关,氮、磷输出速率基本上随降雨径流过程呈递减变化,变化曲线呈偏态分布,但氮、磷累积输出量基本呈线性上升趋势(图1、图2。

图1天然降雨径流氮输出浓度曲线[32]图2天然降雨径流磷输出浓度曲线[32]降雨条件和施肥状况对农田氮肥的径流损失有很大的影响,施肥后1~5天内发生降雨12.8cm 所引起的农田氮素的损失量几乎占施入氮肥10~20%,而且与肥料的种类有关,例如尿素的地表径流损失在相似条件下比硝酸铵形态的氮要少一半[33]。

表2不同土壤和施肥量对氮素淋溶和径流流失的影响[34]土壤施氮量(kg/hm 2氮淋溶径流流失氮总量(kg/hm 2其中肥料(%总量(kg/hm 2其中肥料(%砂壤土8016045023.143.276.516.318.130.2110.2135.7312.528.349.364.7壤土8016045024.316.842.6 4.35.621.093.2145.0361.033.344.468.4耕地上氮的损失量与施氮量密切相关,每增施1kg/hm 2的氮素,通过径流损失的氮即增加0.56~0.72kg/hm 2,其中肥料氮流失所占比重也随施氮量而增加,即每增施1kg/hm 2的氮素,肥料氮的流失增加0.086~0.091%。